JP4138548B2

JP4138548B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP4138548B2
Application number: JP2003089157A
Authority: JP
Inventors: 大輔鷲見; 弘稲村; 千哲小林; 東吾森藤; 公二吉田; 正樹遠藤; さやか日浦; 隆夫山内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004163387A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに関し、特に微細な形状を検知するセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、個々を識別する装置として指紋センサが用いられており、この指紋センサには簡単で且つ精度良く指紋を検知することが要求されている。この種の指紋センサとしては指紋を光学的に検知するものや電気的に検知するものなど、様々なタイプのものが研究、開発されている。例えば特開平９−１２６９１８号公報や特開平１０−３００６１０号公報には、電極を有するマイクロセンサ部をマトリクス状に配置し、指からの圧力を電気信号に変換して指紋を検知するものが記載されている。このマイクロセンサ部は、２枚の電極の間に空洞を介在させた状態で対向配置している。
【０００３】
図１６には製造途中におけるマイクロセンサ部の断面図を示す。シリコン基板１０１上にはエッチングバリア層１０２が積層され、その上に所定のパターンでＡｕ又はＴｉによる第一金属層１０３が形成される。この第一金属層１０３は可変コンデンサの第一電極、若しくは、マイクロコンタクタの第一端子として使用される。第一金属層１０３に対応して多結晶シリコン又はＡｌからなる隔膜１０４を形成し、隔膜１０４上にＡｕ又はＴｉからなる第二金属層１０５を形成する。そして基板１０１の表面全体を窒化シリコンからなる絶縁膜１０６で覆う。マイクロセンサ部の表面には第二金属膜１０５及び絶縁膜１０６に隔膜１０４まで達する開口１０７が形成され、開口１０７の部分で隔膜が外部に露出する。なお図１６ではこの状態を示している。この後で基板１０１にウェットエッチングを行うが、このとき溶液が多結晶シリコン又はＡｌからなる隔膜１０４をエッチングし、隔膜１０４が取除かれて空洞が形成される。エッチング終了後に開口１０７を窒化シリコンなどで塞ぎ、空洞を密閉する。そしてマイクロセンサに指からの圧力が加わると、その圧力に応じて絶縁膜１０６及び第二金属層１０５が第一金属層１０３側へ湾曲し、その状態に応じた電気信号を出力して、指紋の形状を検知する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１２６９１８号公報
【特許文献２】
特開平１０−３００６１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
各マイクロセンサに加わる圧力の状態を検知するために、マイクロセンサの電極は各制御回路と配線を介して接続されている。このとき、第一金属層１０３に接続する複数の配線を行方向に配置し、第二金属層１０５に接続する複数の配線を列方向に配置し、両配線で囲まれる領域内にそれぞれマイクロセンサを配置している。従ってマイクロセンサの周囲に配線が位置することになり、この配線部分が指紋検知に関与しないため、それだけ解像度が低下してしまう。これは、指紋センサのような繊細な形状を検知する上で、精度の低下に結びついてしまう。
【０００６】
一方、第一金属層１０３に第一配線を、第二金属層１０５に第二配線をそれぞれ接続し、第一配線に走査信号を供給してそのときの第二配線の出力を検出することで各マイクロセンサの状態を感知する。この第一金属層１０３と第一配線は同一の金属層をパターニングして一体に形成され、マイクロセンサの第一金属層１０３が第一配線から突出した形状になる。同様に第二金属層１０５と第二配線も同一の金属層をパターニングして一体に形成され、マイクロセンサの第二金属層１５が第二配線から突出した形状になる。
【０００７】
また、このときの検知状態の一例を図１７に示す。図１７のＳ１〜Ｓ５が第一配線、Ｌ１〜Ｌ５が第二配線、両配線の交差部に配置したのがマイクロセンサを示す。マイクロセンサのうち、斜線のハッチングが施されているのが圧力が掛かって両金属層１０３、１０５が接触しているものを示す。ここでＳ３の第一配線に走査信号を供給したとき、それぞれマイクロセンサＣ２、Ｃ３を介して第二配線Ｌ２、Ｌ３に信号が流れ、この２つの第二配線のみから信号を検出することになる。
【０００８】
しかしマイクロセンサの電極が接続する配線と同一材料により一体形成されている場合、第二配線に流れる信号が走査されていないマイクロセンサを介して他の第一配線に流れてしまうことがあった。つまり図１７において第二配線Ｌ２を流れる信号はマイクロセンサＡ２、Ｂ２を介して第一配線Ｓ１、Ｓ２に流れてしまうことがある。また第二配線Ｌ３を流れる信号はマイクロセンサＤ３、Ｅ３を介して第一配線Ｓ４、Ｓ５に流れてしまうことがある。そのためマイクロセンサＡ１、Ｅ４を介して第二配線Ｌ１、Ｌ４にも信号が流れ、その結果、マイクロセンサＣ１〜Ｃ４までに圧力が掛かっていると誤検知することになり、精度の低下につながっていた。
【０００９】
そこで、本発明はかかる点に鑑みなされたもので、センサ部の存在する割合を増やして解像度を向上させると共に、誤検知を減らすことによって、高精度の圧力センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の第一配線と複数の第二配線を交差させて配置し、両配線の交差部付近にセンサ部を設けた圧力センサにおいて、前記センサ部は、前記第一配線と電気的に接続する第一電極と、前記第一電極と対向配置する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極の間に形成された空洞部とを有し、前記第一配線は、該第一配線と接続する前記センサ部の間ごとに幅広部を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の圧力センサの概略を示す全体図である。１は透明なガラス基板であり、ガラス基板１上には行方向に存在する複数の第一配線２と列方向に存在する複数の第二配線３がマトリクス状に形成されている。この実施例では基板としてガラス基板１を用いたが、ガラス基板に限定するものではなく、プラスティックフィルムなどでもよい。４は第一配線２と第二配線３の交差部付近に設けられたセンサ部、５は第二配線３上に設けられた通気口部である。複数のセンサ部４をマトリクス状に並べた領域が、微細な形状を検知する圧力検知領域に該当し、通気口部５は圧力検知領域外に設けられている。なお、センサ部４を組み込んだ圧力センサ装置には形状を検知するための領域が設けられているが、ここでいう圧力検知領域とはこの圧力センサ装置の形状を検知するための領域ではなく、センサ部４が存在する領域のことを意味する。通気口部５はセンサ部４が並ぶ列方向の延長線上に存在し、この列方向に並ぶセンサ部群の両端に隣接して配置されている。なお、通気口部５をこのセンサ部群の一方の端部にだけ隣接配置してもよい。６は第一配線２に走査信号を供給する走査回路、７は第二配線３に流れる信号を検知する感知回路である。
【００１４】
センサ部４の詳細な構成は後述するが、センサ部４では第一配線２に接続する第一電極と第二配線３に接続する第二電極が空洞部を介して対向配置している。第二電極は検体からの圧力に応じて第一電極側に湾曲し、所定以上の圧力が加わると第一電極に接触する。そして検体を圧力検知領域に押し付けたとき、検体の凸部に対応するセンサ部４では両電極が接触し、検体の凹部に対応するセンサ部４では両電極が離れたままである。このとき走査回路６から１つの第一配線２に走査信号を供給すると、両電極が接触しているセンサ部４では両電極を介して第二配線３に信号が流れ、両電極が接触していないセンサ部４では第二配線３に信号が流れない。そして感知回路７で第二配線３を流れる信号の有無を検知すれば、各センサ部４に加わる圧力を検知できる。走査回路６から各第一配線２に順次走査信号を供給し、圧力検知領域を一通り走査して形状を検知する。
【００１５】
図２はセンサ部４及び通気口部５の平面図を示し、図３は図２のＡ−Ａに沿った断面であるセンサ部４の断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂに沿った断面である通気口部５の断面図であり、図５は図２のＣ−Ｃに沿った断面図である。
【００１６】
まずセンサ部４の構造について説明する。ガラス基板１上には全面にＳｉＮｘによる下層絶縁膜１１が積層されている。下層絶縁膜１１上には複数の第一配線２がそれぞれ平行に配置され、センサ部４に第一電極８が形成される。この第一配線２と第一電極８は共に下層絶縁膜１１上に積層された金属層をパターニングして形成され、この金属層としては例えばＡｌとＭｏによる積層構造が用いられる。第一電極８は、センサ部４の中央部に位置し中央電極部に相当する円状部８ａと、センサ部４の周囲に位置する環状部８ｂと、円状部８ａと環状部８ｂを接続する接続部８ｃとを備えている。
【００１７】
１２は第一配線２と第一電極８を電気的に接続する細長状のコンタクト層であり、非晶質層や多結晶層や金属層により形成されている。このコンタクト層１２は第一配線２や第一電極８の金属よりも高抵抗な部材で形成する。ここでコンタクト層１２の抵抗をＲ、第一配線２に供給される走査信号の電圧をＥ、第二配線３を流れる電流をＩとすると、Ｅ＝ＩＲの関係が成り立つ。従って１つのセンサ部４を介して第二配線３に流れる信号は、電流値がＩになる。しかし、第二配線３を流れる信号が、例えばセンサ部４、走査されていない第一配線２、他の列のセンサ部４、他の列の第二配線３と流れた場合、走査信号は始めの第一配線２から見て最終的に３つのコンタクト部１２を通過することになる。そして、この他の列の第二配線３を流れる電流をＩ’とすると、Ｅ＝３ＲＩ’となり、Ｉ’＝Ｉ／３となる。従って第二配線３を流れる電流値を見ることで他のセンサ部４を経由していないかを見分けることができ、センサ自体の精度を向上させることができる。
【００１８】
このコンタクト層１２には膜厚均等に成膜でき、光学的手段を用いてパターン形成可能なものがよく、ここでは多結晶シリコンや導電性不純物を混入したアモルファスシリコン層が良い。
【００１９】
コンタクト層１２がｎ⁺ａ−Ｓｉの場合、下層絶縁膜１１に膜厚が５０〜３０００ÅのＳｉ層を積層し、このＳｉ層に１．０×１０¹¹〜１．０×１０¹⁵／ｃｍ²のＰ又はＢをイオンドープする。その後Ｓｉ層をパターニングしてコンタクト層１２を形成し、このコンタクト層１２に一部が重なるように第一配線２及び第一電極８を形成する。この場合、多結晶Ｓｉに比べ、アニール処理等の工程を必要としないため製造が容易である。また多結晶Ｓｉより抵抗が高いためコンタクト層をその分短くでき、センサ部をより集積して配置することで解像度が向上する。
【００２０】
またコンタクト層１２が多結晶Ｓｉの場合、Ｓｉ層を下層絶縁膜１１に積層し、そのＳｉ層をアニール処理、パターニング処理を施して多結晶のコンタクト層１２を形成する。このコンタクト層１２の膜厚は２００〜１０００Åが適している。コンタクト層１２へのイオンドープや、第一配線２及び第一電極８の形成はｎ⁺ａ−Ｓｉの場合と同様である。
【００２１】
コンタクト層１２の抵抗は感知回路７で検出できる最小の電流値を基にして決める。また、高抵抗のコンタクト層１２を用いる場合は、配線抵抗を小さくする必要がある。抵抗は距離に比例するため、走査回路６から離れるほど走査回路６までの抵抗も高くなる。そのため走査回路６から遠いところに位置するセンサ部４までの配線抵抗がコンタクト層１２と同程度の抵抗になった場合、感知回路７の検出結果から適正な値かどうかの見分けがつかなくなる。よって第一配線２には抵抗の小さいＡｌ等を含むようにした方がよい。
【００２２】
１３はＳｉＮｘまたはＳｉＯ₂などによる第一絶縁膜であり、下層絶縁膜１１や第一配線２などを覆っている。第一絶縁膜１３はセンサ部４にも存在するが、センサ部４の中央付近には円形状のセンサ孔１４が形成され、第一電極の円状部８ａの中央部分を露出させている。このセンサ孔１４の大きさや厚さ（センサ孔１４周縁の第一絶縁膜１３の厚さ）はセンサの感度に影響する。
【００２３】
第一電極の円状部８ａの周囲を第一絶縁膜１３で覆っているため、第二電極９が第一電極８と大きな範囲で密着することがなく、第二電極９が第一電極８に接触した後に第一絶縁膜１３付近から第二電極９が第一電極８と離れる。そして第一絶縁膜１３が厚くなるほど、第二電極９の弾力性が弱くても元の状態に戻りやすくなるが、第二電極９が第一電極８に接触する可能性も低くなる。
【００２４】
また、センサ孔１４が大きいときは第一電極８の露出部分が多くなり、第二電極９と接触する可能性が増える。従ってセンサ部４に掛かる小さな圧力の検知が可能になるが、それだけ過度の検知にもなりやすい。それに対してセンサ孔１４が小さくなると第一電極８の露出部分が少なくなり、第二電極９と接触する可能性が少なくなるため、その分だけ圧力に対して鈍感なセンサになる。なお、この実施例ではセンサ孔１４を円形状にしたが、この形状に限定されるものではなく、四角形状などにしてもよい。
【００２５】
第一絶縁膜１３から露出した第一電極８は空洞部１０を介在させて第二電極９と対向配置する。空洞部１０の形成方法は後述するが、センサ部４を平面方向から見たとき、空洞部１０は第一電極の環状部８ｂまで広がっている。また、センサ部４の４隅にはリリース口１５が設けられ、空洞部１０はこのリリース口１５にまで延在している。
【００２６】
第二電極９は金属層により形成され、例えばＭｏが用いられる。センサ部４内では、第二電極９は５０μｍ×５０μｍの正方形状にパターニングされ、４隈にリリース口１５が開口している。列方向に並ぶセンサ部４では、それぞれ隣接するセンサ部４との間に互いの第二電極９を電気的に連結する連結部３０が形成され、第二電極９や連結部３０が第二配線３を兼ねている。連結部３０は第二電極９よりも幅が狭く、第一配線２に第一絶縁膜１３を介して直交方向に重なっている。第二電極９と連結部３０の製造工程は後述するが、第二電極９と連結部３０は同一の金属層をパターニングして形成されている。
【００２７】
１６は第二絶縁膜、１７は保護膜であり、第一絶縁膜１３や第二配線２上に積層される。この実施例では共にＳｉＮｘで形成されている。なお、これらの膜１６、１７はＳｉＮｘに限定するものではなく、ＳｉＯ₂でもよく、ポリイミドやポリアクリレートなどの有機絶縁膜でもよい。詳細は後述するが、第二絶縁膜１６と保護膜１７は別工程で形成される。第二絶縁膜１６にはリリース口１５が形成され、リリース口１５を形成した後で第二絶縁膜１６上に保護膜１７を形成するため、リリース口１５は保護膜１７で塞がれる。そして、リリース口を塞ぐ保護膜１７と第二絶縁膜１６上に積層される保護膜１７は同時形成されるが、膜としては連続せずに分かれている。このリリース口１５を塞ぐ保護膜１７が閉塞部に相当する。
【００２８】
センサ部４では、第二電極９上の第二絶縁膜１６と保護膜１７が円形状に取除かれ、第二電極９が露出している。第二電極９は第二絶縁膜１６が被覆されている境界部分を支点にして湾曲するため、第二絶縁膜１６が取除かれている範囲の大きさによって第二電極９の柔軟性が変わる。第二絶縁膜１６を大きく取除くと第二電極９が湾曲しやすくなり、検体の凸部が第二電極９に当たったときに第二電極９が湾曲して第一電極８と接触するため、圧力に対して敏感なセンサ部４になる。それに対して、第二電極９上に第二絶縁膜１６や保護膜１７を残した場合、その分だけ第二電極９が湾曲し難くなるため、圧力に対して鈍感なセンサ部４になる。第二電極９の湾曲のしやすさはセンサ部４の感度に影響し、圧力に対して敏感になるほど圧力の検知のし過ぎにより検体の形状が不明瞭になり、圧力に対して鈍感になるほど微細な形状を検知できない部分が存在するため検体の形状が不鮮明になる。したがって敏感になりすぎても、鈍感になりすぎても誤検知の可能性が増大するため、第二電極９の湾曲のし易さが適正になるように設計する必要がある。そして第二絶縁膜１６が取除かれている部分の境界が第一電極８の最も外側の環状部８ｂよりも内側に位置するように設定すると、第二電極９の柔軟性と復元力が適切な範囲内になる。
【００２９】
さらに、薄膜の第二絶縁膜１６や保護膜１７が第二電極９上に存在すると第二電極９の補強及び保護の役割を果すため、それだけ第二電極９の破損は少なくなる。この実施例では第二絶縁膜１６と保護膜１７を除去しているが、これらの条件を考慮して、除去せずに第二電極９上の第二絶縁膜１６や保護膜１７の厚み方向の一部を取除き、中央部分を薄くしてもよい。このとき薄くした部分はセンサ部４を中心として円形状にするとよい。なお、この実施例では第二絶縁膜１６を円形状に取除いたが、第二絶縁膜を四角形状に取除いてもよい。
【００３０】
次に通気口部５について説明する。２０は通気口部５の中央付近に位置し、下層絶縁膜１１上に形成されたダミー電極である。ダミー電極２０は中心に開口を有するドーナツ状の金属層であり、第一配線２や第一電極８と同一工程で形成される。従って、例えば下層絶縁膜１１の全面にＭｏとＡｌの積層構造からなる金属層を積層し、この金属層をパターニングしてダミー電極２０、第一配線２、第一電極８を同時形成する。そしてダミー電極２０は第一配線２と電気的な接続がなく、孤立して設けられている。第一絶縁膜１３は下層絶縁膜１１やダミー電極２０を覆うように積層され、通気口部５の中央付近では第一絶縁膜１３を取除いて下層絶縁膜１１やダミー電極２０の一部を露出している。
【００３１】
２１は通気口部５に位置する補助電極であり、センサ部４の第二電極９と同様にＭｏ等からなる金属層を５０μｍ×５０μｍの正方形状にパターニングし、４隈にリリース口１５を形成している。通気口部５の補助電極２１はその形状がセンサ部４の第二電極９と類似しているが、形状を検知する機能はなく、第二配線３の一部として存在する。補助電極２１と第一絶縁膜１３の間には第二空洞部２２が設けられ、この第二空洞部２２はセンサ部４の空洞部１０と空間的に連通し、両空洞部１０、２２間を通気可能にしている。補助電極２１上には第二絶縁膜１６が積層され、補助電極２１と同様にリリース口１５が設けられている。
【００３２】
通気口部５の中央には補助電極２１及び第二絶縁膜１６を貫通する通気口２３が形成されている。そして通気口２３に対応する位置にはダミー電極２０、第一絶縁膜１３が存在しない。第二絶縁膜１６上に保護膜１７を積層するとき、リリース口１５はこの保護膜１７の一部によって塞がれて第二空洞部２２との連通状態を絶たれるが、通気口２３では保護膜１７が下層絶縁膜１１上に積層されるため第二空洞部２２との連通状態を維持する。通気口部５では補助電極２１上の第二絶縁膜１６、保護膜１７は取除かれず、そのまま残っている。従って第二絶縁膜１６、保護膜１７により補助電極２１の湾曲が規制され、通気口２３の周辺が補強されることになり、製造中や使用中でも通気口２３は第二空洞部２２と連通している。
【００３３】
２４は中空状でその内部を空気が行き来できる通路部であり、通気口部５とセンサ部４の間や隣接するセンサ部４間に位置し、センサ部４の空洞部１０同士やセンサ部４の空洞部１０と通気口部５の第二空洞部２２をつないでいる。通路部２４は、その底面を第一絶縁膜１３で、側面や上面を第二配線３の金属層からなる連結部３０で構成している。通路部２４により各センサ部４の空洞部１０と通気口部５の第二空洞部２２が空間的に連通状態になり、通気口２３を介して外気の行き来が可能になる。また通路部２４の横幅は空洞部１０の横幅よりも狭くなっているため、通気口２３から入ってきた塵埃が通路部２４を介して空洞部１０に侵入することを防止できる。
【００３４】
このような構造により、保護膜１７により各リリース口１５を塞いだ後でも、センサ部４の空洞部１０内をほぼ外気圧と同じ気圧に保つことができる。そのため真空引きを行う工程中にセンサ部４の第二電極９には大きな負荷がかからず、破損することを防止できる。さらにセンサ部４とは別に通気口部５を設けているため、センサ部４の空洞部１０内に塵埃が侵入することを防止でき、故障の少ない圧力センサを得ることができる。
【００３５】
次にセンサ部４の製造工程を図面に基づいて説明する。図６はセンサ部４の製造工程を示す断面図（図３の断面図に相当）であり、図７はセンサ部４の製造工程を示す平面図であり、図８は通気口部５の製造工程を示す断面図（図４の断面図に相当）であり、図９は通気口部５の製造工程を示す平面図である。
【００３６】
ガラス基板１上にＳｉＮｘからなる下層絶縁膜１１を積層し、下層絶縁膜１１上にＳｉ層を積層する。コンタクト層がｎ⁺ａ−Ｓｉの場合、このＳｉ層にＰ又はＢをイオンドープし、その後Ｓｉ層をパターニングしてコンタクト層１２に相当する部分だけＳｉ層を残す。この場合シート抵抗を２．７〜３５×１０⁶Ω／□としている。なお、コンタクト層を多結晶Ｓｉにより形成する場合はＳｉ層を形成した後、脱水素工程やスライト工程、レーザアニール工程等を行って多結晶化し、その後でフォトリソグラフィ法によりｎ⁺ａ−Ｓｉの場合と同様にＳｉ層を残す。この場合シート抵抗を大体０．０３５×１０⁶Ω／□としている。その後、ＭｏとＡｌの積層構造をした金属層をスパッタ法等により下層絶縁膜１１上に形成し、フォトリソグラフィ法により図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）に示すような第一配線２、第一電極８、ダミー電極２０を形成する。このときダミー電極２０は中央に開口がない円板状に形成される。
【００３７】
次に、下層絶縁膜１１や第一配線２上にＳｉＮｘを積層して第一絶縁膜１３を形成する。そしてエッチング工程によって、第一絶縁膜１３は円状部８ａとダミー電極２０に対応する部分が取除かれている。センサ部４では図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、円状部８ａ上の第一絶縁膜１３を円形状に取除き、センサ孔１４を形成している。こうして円状部８ａの中央部分を露出させ、円状部８ａの周縁部分を第一絶縁膜１３で被覆している。また通気口部５では図８（ｂ）、図９（ａ）に示すように、ダミー電極２０上の第一絶縁膜１３を円形状に取除いている。そしてダミー電極２０の中央部分を露出させながら、ダミー電極２０の周縁部分は第一絶縁膜１３で被覆されている。ダミー電極２０上の第一絶縁膜１３のエッチング部分は、通気口２３よりも大きくなっている。円状部８ａ上に存在する第一絶縁膜１３の割合は圧力センサの感度に影響し、ダミー電極２０上に存在する第一絶縁膜１３の割合は通気口２３の大きさに影響する。
【００３８】
次に、第一絶縁膜１３や露出した第一電極８、ダミー電極２０上にＡｌからなる金属層を積層する。その後、フォトリソグラフィ法などでこの金属層を所定形状にパターニングし、中間層２５を形成する。この中間層２５は最終的には取除かれるが、中間層２５の存在した部分が空洞部１０、第二空洞部２２や通路部２４になる。従って、センサ部４では図６（ｃ）、図７（ｃ）に示す形状の中間層２５になり、通気口部５では図８（ｃ）、図９（ｂ）に示す形状の中間層２５になる。センサ部４の中間層２５は、第一電極８の円状部８ａから環状部８ｂまでを覆うほぼ円形状の部分とそこから突出して４箇所のリリース口１５まで延在する部分とを備えている。通気口部５の中間層２５もセンサ部４の中間層２５とほぼ同じ形状をしている。通気口部５のダミー電極２０は中央付近にのみ存在するため、通気口部５には第一電極８の環状部８ｂのような金属層は存在しないが、中間層２５はダミー電極２０を含む通気口部５の大部分を覆う円形状の部分とそこから突出してリリース口１５まで延在する部分とを備えている。そして、隣接するセンサ部４同士の間やセンサ部４と通気口部５との間には、通路部２４に相当する細長状の中間層２５が存在する。従って、列方向に並ぶ各センサ部４と通気口部５では、その部分に存在する中間層２５が分割することなく連なって形成されている。なお、各中間層２５の形状や厚み等の大きさは、希望する空洞部１０、第二空洞部２２や通路部２４の形状、サイズに合わせて設計される。
【００３９】
次に、中間層２５や第一絶縁膜１３上に金属層をスパッタ法により積層する。この金属層はＭｏとＡｌの積層構造になる。この金属層上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法による露光、現像、エッチング処理を施して第二電極９や連結部３０を含む第二配線３を形成する。このとき中間層２５は第二配線３の金属層で完全に覆われた状態になる。図６（ｄ）、図７（ｄ）に示すように、センサ部４では中間層２５を完全に覆うほぼ四角形状の第二電極９が形成されている。このとき、まだ第二電極９にはリリース口１５を形成しない。また図８（ｄ）、図９（ｃ）に示すように、通気口部５にも中間層２５を完全に覆うほぼ四角形状の補助電極２１が形成され、この工程のときには補助電極２１にもリリース口１５と通気口２３を形成しない。通路部２４に相当する中間層２５は連結部３０で覆われ、この連結部３０により隣接するセンサ部４の第二電極９を電気的に連結する。
【００４０】
次に、第二電極９や第一絶縁膜１３上にＳｉＮｘを積層し、第二絶縁膜１６を形成する。そしてセンサ部４では図６（ｅ）、図７（ｅ）に示すようにリリース口１５に該当する部分のＳｉＮｘを取除き、また通気口部５では図８（ｅ）に示すようにリリース口１５と通気口２３に該当する部分のＳｉＮｘを取除く。この第二絶縁膜１６が取除かれた部分は、それぞれ第二電極９、補助電極２１の一部分が露出する。
【００４１】
次に、ＭｏとＡｌの両方の材質を除去するエッチング処理をする。このエッチング処理により第二絶縁膜１６から露出している部分の金属層が除去される。エッチング方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングの両方が利用できる。例えば、エッチング液にリン酸、硝酸、酢酸の混合液を用いれば、ＭｏとＡｌの両方がエッチングできる。このエッチング処理により、センサ部４では図６（ｆ）に示すようにリリース口１５に対応する部分の第二電極９と中間層２５が取除かれる。また、通気口部５では図８（ｆ）に示すように、リリース口１５に対応する部分の補助電極２１と中間層２５、通気口２３に対応する部分の補助電極２１、中間層２５、ダミー電極２０が取除かれる。
【００４２】
次に、中間層２５だけを除去するエッチング処理を行う。このときウェットエッチングを行い、エッチング液に塩酸、リン酸、水の混合液を用いる。エッチング液はリリース口１５を通じて中間層２５に達し、中間層２５の端部から順にエッチングする。混合比が塩酸：リン酸：水＝１：５：１のエッチング液を使用した場合、中間層２５のＡｌと第二配線３などを構成するＭｏとの間に電池効果が生じ、Ａｌが短時間でエッチングされる。電池効果によりＡｌを積極的にエッチングする場合、エッチング液としては特にリン酸が塩酸の５倍以上含まれていればその効果が得られるが、塩酸：リン酸＝１：５のエッチング液のときには同時に多量の泡が発生する。そこで実験によりさらに研究を重ねた結果、塩酸：リン酸：水＝１：１０：１のエッチング液を用いたときに、泡の発生が少なく且つＡｌが短時間で積極的にエッチングできた。このエッチング処理により中間層２５を確実に取除くことができ、各空洞部１０、２２や通路部２４が形成される（図８（ｇ）、図９（ｄ））。
【００４３】
その後、第二絶縁膜１６上にＳｉＮｘを積層し、保護膜１７を形成する。このＳｉＮｘは例えばＣＶＤで形成され、ほぼ同じ厚みの膜がガラス基板１上の全面に積層される。このときリリース口１５や通気口２３では第二絶縁膜１６などが存在しないため、リリース口１５では第一絶縁膜１３上に、通気口２３では下層絶縁膜１１上にそれぞれ保護膜１７が積層される。この保護膜１７は、センサ部４のリリース口１５を塞ぐと同時に通気口部５の通気口２３は塞がない程度の厚さに設定されている。空洞部１０は中間層２５により形成されるため、中間層２５の厚さが空洞部１０の厚さとなり、空洞部１０内の厚さはほぼ均一になる。そして空洞部１０の厚さが、リリース口１５の下方の空間の底面からリリース口１５までの距離に相当する。従って、空洞部１０の厚さをｄ１、リリース口を塞ぐ保護膜１７（閉塞部）の厚さをｄとしたとき、ｄ１≦ｄであればリリース口１５を確実に塞ぐことができる。それに対して、通気口２３の周囲部分には第一絶縁膜１３とダミー電極２０が存在し、通気口２３部分では第一絶縁膜１３とダミー電極２０が取除かれているため、通気口２３部分の底面はリリース口１５部分の底面よりも下がった所に位置する。従って、通気口２３の下方の空間の底面から通気口２３までの距離をｄ２、第一絶縁膜１３の厚さをｄ３、ダミー電極２０の厚さをｄ４としたとき、ｄ２＝ｄ１＋ｄ３＋ｄ４になり、ｄ＜ｄ２であれば保護膜１７を積層しても通気口２３が塞がることはない。この条件を満たす保護膜１７を積層することで、センサ部４では図６（ｇ）に示すようにリリース口１５が塞がれ、リリース口１５から空洞部１０内に塵埃が侵入することを防止できる。また通気口部５では図８（ｈ）に示すように通気口２３が第二空洞部２２と連通するため、各センサ部４の空洞部１０の圧力を外気とほぼ同じにすることができる。
【００４４】
その後、図６（ｈ）、図７（ｆ）に示すようにセンサ部４の第二電極９上の第二絶縁膜１６と保護膜１７を取除く。この第二絶縁膜１６と保護膜１７は第一電極８の円状部８ａから環状部８ｂ付近までの領域が取除かれ、この領域の第二電極９が湾曲しやすくなる。これで圧力に対して敏感なセンサ部４を形成することができる。
【００４５】
このようにセンサ部４に空洞部１０を形成し、その形成に用いたリリース口１５を塞いだとしても、空洞部１０が外気と通気可能な状態を維持する。従って、例えこの後の製造工程でセンサ部を真空引きした空間に置いたとしても、空洞部１０の内外で大きな気圧差が生じることを防止でき、第二電極９には大きな負荷がかからない。よって、センサ部４の破損を防ぐことができ、歩留まりが向上する。
【００４６】
この実施例では、センサ部４の第二電極９を第二配線３と兼ねているため、特別に第二配線９を配置するスペースを設ける必要がなく、その分だけセンサ部４を密集させて配置することができる。従って圧力検知領域におけるセンサ部４の占める割合が増え、解像度が向上する。また、第二電極９と連結部３０とを同じ金属層をパターニングして同時形成するため、簡単な工程により連結部を形成することができる。
【００４７】
この実施例では第一配線２と第一電極８を第一配線２よりも高抵抗のコンタクト層１２により接続したが、高抵抗のコンタクト層１２の代わりにスイッチング素子を設けてもよい。図１０はスイッチング素子として薄膜トランジスタ２９（以下にＴＦＴと示す）を設けたときの圧力検知領域を模式的に示した概略図である。第一配線２と第一電極８はＴＦＴ２９で接続され、ＴＦＴ２９のゲート電極とソース電極は第一配線２に接続し、ＴＦＴ２９のドレイン電極は第一電極８と接続する。このＴＦＴ２９はａ−Ｓｉ又はｐ−Ｓｉで形成され、そのチャネル部分の大きさは、チャネル長Ｌ＝３〜１０μｍ、チャネル幅Ｗ＝５〜３０μｍになる。なお、各センサ部４や通気口部５などの形状は先の実施例と同じである。
【００４８】
図１０においては、走査信号が供給された第一配線２ではそれにつながるＴＦＴ２９がＯＮになり、第一電極８に走査信号を供給する。走査されていない第一配線２につながるＴＦＴ２９はＯＦＦになるため、第二配線３を流れる信号が走査されていないセンサ部４の第二電極９、第一電極８に伝わっても、その第一電極８から第一配線２に伝わることを防止できる。
【００４９】
なお、第一配線２と第一電極８をＴＦＴ２９で接続する場合を説明したが、第二配線３と第二電極９をＴＦＴで接続してもよい。この場合、第二配線は第二電極９を連結して形成するものでなく、第二電極９とは別に第二配線を設ける。そしてＴＦＴのゲート電極とソース電極を第二電極９に接続し、ドレイン電極を第二配線に接続する。そうすれば第一電極８を介して第二電極９に走査信号が入力されたときにＴＦＴがＯＮになり、第二配線に信号が流れる。
【００５０】
またこの他、スイッチング素子としてＴＦＴ２９を設けたときの圧力検知領域を模式的に示した他の概略図を図１１に示した。図１０と異なる点は第一配線２をゲート電極に接続するためのものと、ソース電極に接続するためのものと、それぞれ別々に設けている。ＴＦＴ２９のゲート電極はゲート電極用第一配線２ａと接続し、ＴＦＴ２９のソース電極はソース電極用の第一配線２ｂと接続している。ＴＦＴ２９のドレイン電極は第一電極８と接続する。図１１においては、第一配線２ａにつながるＴＦＴ２９が第一配線２ａの信号の有無によりＯＮ或いはＯＦＦとなり、ＯＮとなったＴＦＴ２９によって第一配線２ｂからの信号を第一電極８に供給する。ＯＦＦとなっているＴＦＴ２９では、図１０のものと同様に、第二配線３を流れる信号はセンサ部４の第二電極９、第一電極８に伝わっても、その第一電極８から第一配線２に伝わることを防止できる。
【００５１】
なお、ソース電極用の第一配線２ｂを端部においてそれぞれ短絡させて共通の信号が供給されるものであってもよい。このようにすることにより、図１０のものに比べ消費電力を抑えることができる。また図１１においてはゲート電極用第一配線２ａとソース電極用第一配線２ｂは並べて設けているが、ＳｉＮｘ等の絶縁膜を介して重ねて設けることにより、解像度の低下を抑えることもできる。また図１１においてはゲート電極用第一配線２ａとソース電極用第一配線２ｂが同一方向に形成されているが、一方の第一配線は第二電極と同一方向に形成されていてもよい。つまり、第一電極８に信号を供給する第一配線２ａ、２ｂの内、どちらか一方の第一配線２が第二配線３と交差して配置してあればよい。
【００５２】
次に本発明の第四実施例を図面を参照して説明する。図１２は図１の中で２×２の４つのセンサ部４の平面図であり、図１３は図１０のＡ−Ａ断面図（センサ部１個分に相当）である。ガラス基板１、下層絶縁膜１１及び第一配線２の構成は第一実施例と共通であり、説明を省略する。
【００５３】
８は、基板１の上に配置された第一電極で、中心が接点部となる円盤状のランドを有する。この第一電極８は、例えばＡｌとＭｏの積層構造からなり、行方向の第一配線２にコンタクト層１２を介して接続されている。コンタクト層１２の構成は第一実施例と共通であり、説明を省略する。
【００５４】
第一配線２は、それぞれの第一配線２において、第一電極８を介して接続しているセンサ部４の間ごとに幅広部１９を有している。そして第一配線２に接続する第一電極８と、この第一配線２の隣に設けられた別の第一配線２に接続する第一電極８との間、つまり幅広部１９と幅広部１９の間において、第一配線２はくびれている。幅広部１９で接続されたコンタクト層１２は、第一配線２と第一電極８を接続する接続素子であり、図のように一定の長さを必要とするので、第一配線２の幅広部１９はコンタクト層１２の接続されない方に膨出するように形成されている。このような幅広部１９を圧力センサ部４ごとに設けることで、くびれ部２６が少しばかり細くても全体の抵抗値を低下させ、密着性を確保して剥離し難くなる
この実施例では、第一配線２のくびれ部２６の形状が、隣接する第一電極８の輪郭に沿った形状になっている。つまり第一電極８の外形の輪郭が略円形状であり、くびれ部２６はそのセンサ部４の外形から略一定間隔をおいた輪郭を有しており、くびれ部２６の輪郭は第一電極８の輪郭に沿って略円弧状をしている。センサ部４の近傍ではくびれ部２６を設けることが出来るので、センサ部４の集積度を高め、センサ部４の圧力を受ける箇所の面積を大きく取ることが出来、感度よく密に圧力位置を検出することが出来る。このような効果はくびれ部２６の形状を隣接する第一電極８の輪郭に沿った形状にすることで、より効率よく得ることが出来る。なお、この実施例では、第一配線２のくびれ部２６の形状が、この第一配線２の第一電極８と、この第一配線２と隣り合う第一配線２の第一電極８の両方の輪郭に沿って形成されているが、どちらか一方の第一電極８の輪郭に沿って形成されていてもよい。
【００５５】
９は、第一電極８に空洞部１０を介して対向して設けられた第二電極で、列方向の第二配線３を兼ねている。この第一電極８と第二電極９の間の空洞部１０は各々のセンサ部４で列方向に、各々２本の通路部２４で連通され、列の先端に配置された通気口５で開口されている。この第二電極９は例えばＭｏからなり、第一電極８の外輪（エッジ）から充分離れた位置から立ち上がる様に構成され、周辺部に４箇所のリリース口１５を有している。この図の例では、第二電極９は実質的にセンサ部の大きさを決めるものであり、例えば一接点センサあたり最大径５０μｍ（四角形であれば一辺が５０μｍ）の大きさである。
【００５６】
１３は、第一電極に積層された第一絶縁膜で、同心円状に配置された２つのリング状をなしている。この第一絶縁膜１３は、例えばＳｉＮｘまたはＳｉＯ₂などであり、下層絶縁膜１１や第一電極８の要部を覆うものである。そして、第一電極８の中央部分は、接点として機能させる接点領域２７であるので、第一絶縁膜１３で覆われず電極が露出している。
【００５７】
リリース口１５は、前述したような中間層２５を除去して空洞部１０を形成するための孔で、通路部２４に設けられている。このリリース口１５は、第二電極で空洞部１０上側をすべて覆う場合は第二電極９に設けられるが、別途透孔を設けるための被膜を設けてその被膜に設けても良い。リリース口１５は、一つのセンサ部に対して複数個、さらには各センサ部ごとに設けられるのが好ましい。最終的にこのリリース口１５は絶縁膜１８などによって塞がれるのが望ましいので、リリース口１５が第一電極８の上方に位置していたとしても、センサ部４の動作状態でリリース口１５から第一電極８が観察できるわけではない。リリース口１５は接点領域２７に近いので、これを開放しておくと塵埃や液体が空洞部１０に入り込み、接点不良など支障が出る可能性があるからである。
【００５８】
１６は、第二絶縁膜で、第二電極９を単に大気に晒さないためのものであっても良いし、第二電極９を補強もしくは支持するものであっても良い。第二電極９の表面に第二絶縁膜１６を設けることで、空洞部１０の形成後に水が第二電極９を通過して空洞部１０内に浸入することを防止でき、歩留まりを向上させることが出来る。また１７、１８は、工程上もしくは応力調整上必要とされる絶縁膜である。
【００５９】
第二電極９そのものは略均一な膜厚をしているが、第一絶縁膜１３の形状に従って前述した中間層２５の表面が凹凸になるため、第二電極９も波打ったような凹凸形状となる。つまり第一絶縁膜１３の存在する個所が上に浮き、凹部２８の場所で沈み、これが同心円状であれば水面に石を投げ込んだときの様な波紋状となる。上述したように第一配線２はセンサ部４の傍でくびれているので、第二電極９は広い面積を圧力感知部として確保でき、また第二電極９が全体的に凹凸部分を有するため、第二電極９が柔軟となり、且つ復元力が増す。また第二電極９及びそれに積層された第二絶縁膜１６に強い圧力が加わったときでも、第二電極９や第二絶縁膜１６全体に応力が働くため、強度が増し、第二電極９が破損することは極めて稀となった。なお、本実施例のセンサ部４及び通気口部５の製造方法は第一実施例と共通するため説明は省略する。
【００６０】
また、本実施例では第一電極８の形状をランド部を持つもの、即ち円板状として説明したが、中心円形部と環状部とを有する形状などこれに限定するものではない。また第二電極９を波打たせないほうが好ましい場合には、第一絶縁膜１３は薄い平坦なものでよい。
【００６１】
次に、誤検知を減らし高精度な圧力センサを実現するセンサ部、通気口部及び各配線の配置方法について説明する。図１４は本発明の第五実施例である圧力センサの概略図である。圧力センサの構成は第一実施例と共通するため説明は省略する。図１４において、二点鎖線で示した部分は最外周のセンサ部４が存在する最外周境界部となる。
【００６２】
また、点線で示した部分より内側は、通気口部５を設けた際の最外周境界部を示している。つまり通気口部５を設けた場合、点線が通気口部５が存在する境界、或いは通気口部５が存在しない箇所においては最外周のセンサ部４が存在する境界である。なお、図１４においては二点鎖線及び点線を最外周のセンサ部４及び通気口部５が存在する境界より若干広く描いている。また最外周のセンサ部４が存在する境界において、二点鎖線及び点線を若干離して描いている。そして走査回路６及び感知回路７が存在しない側も含めて、総ての第一配線２及び第二配線３は最外周境界部からさらに１００μｍ以上延設されている。
【００６３】
第一配線２及び第二配線３の端部が最外周境界部の付近、数μｍから１０μｍ程度に位置していると、この付近のセンサ部４の厚さが配線の有無により不均一に成り易く、センサの感度が異なってしまう。また中心部と周辺部のセンサにおいても感度が異なってしまい、誤検知の割合が増え、精度の悪い圧力センサとなってしまう。しかし総ての第一配線２及び第二配線３を最外周境界部からさらに延設しておけば、最外周境界部付近においてもセンサ部４の厚さが均一となり、中心部と周辺部においてもセンサ部４同士がより均一と成るため、全体として誤検知の少ない高精度の圧力センサを実現できる。
【００６４】
図１５は本発明の第六実施例である圧力センサの圧力検知領域の一部分を示す概略図である。圧力センサの構成は第一実施例と共通するため説明は省略する。図１５においては、最外周部のセンサ部４から３列目までのセンサ部４を形状の検知機能を持たないダミーセンサ部４ａとして用いている。
【００６５】
第一配線２及び第二配線３をセンサ部４、通気口部５を含む領域の外側にまで配置した場合でも、圧力センサの製造工程における成膜の際、周辺部と中心部とで膜厚を完全に均一にするのが困難なため、最外周付近に位置するセンサの感度が異なりやすくなり、センサ全体として感度が不均一に成り、精度の悪い圧力センサとなってしまう。しかしこのような問題の生じる恐れのある最外周付近のセンサ部４をあえて検知に用いないダミーセンサ部４ａとして製造することにより、ダミーセンサ部４ａより内側のセンサ部４は極めて感度が均一なものとなり、センサ全体として誤検知の少ない高精度の圧力センサを実現できる。なお、本実施例では最外周部から３列目までのセンサ部をダミーセンサ部４ａとしたが、ダミーとするセンサ部を配置する範囲は任意に定めることができ、例えば圧力検知領域の最外周部のみに配置してもよく、最外周部から２列目までとしてもよい。
【００６６】
本発明ではセンサ部４として一対の電極による接触の有無により形状を検知する圧力センサを説明したが、本発明は空洞部を有する形態の圧力センサに有効であり、例えば静電容量方式のセンサにも適用できる。
【００６７】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によれば、第一配線と第一電極を第一配線よりも高抵抗のコンタクト部を介して電気的に接続した構成であるため、各センサ部の加圧状態を正確に検知することができ、高精度の圧力センサを実現することができる。
【００６８】
また本発明は、第二配線はセンサ部の第二電極を兼ねている構成であり、また第一配線はこの第一配線とするセンサ部の間ごとに幅広部を有する構成であるため、センサ部を密集して配置することができ、高精度の圧力センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例である圧力センサの概略を示す全体図である。
【図２】圧力センサのセンサ部及び通気口部の平面図である。
【図３】センサ部の断面概略図である。
【図４】通気口部の断面概略図である。
【図５】センサ部と通気口部を含む断面概略図である。
【図６】センサ部の製造工程を説明する断面図である。
【図７】センサ部の製造工程を説明する平面図である。
【図８】通気口部の製造工程を説明する断面図である。
【図９】通気口部の製造工程を説明する平面図である。
【図１０】本発明の第二実施例の圧力検知領域を模式的に示した概略図である。
【図１１】本発明の第三実施例の圧力検知領域を模式的に示した概略図である。
【図１２】本発明の第四実施例である圧力センサのセンサ部及び通気口部の平面図である。
【図１３】センサ部の断面概略図である。
【図１４】本発明の第五実施例である圧力センサの最外周付近の概略図である。
【図１５】本発明の第六実施例である圧力センサの一部分を示す概略図である。
【図１６】従来の圧力センサの製造途中の状態を示す断面図である。
【図１７】従来の圧力検知領域を模式的に示した全体図である。
【符号の説明】
２第一配線
３第二配線
４センサ部
４ａダミーセンサ部
８第一電極
９第二電極
１０空洞部
１２コンタクト層
１９幅広部
２９薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）

Claims

複数の第一配線と複数の第二配線を交差させて配置し、両配線の交差部付近にセンサ部を設けた圧力センサにおいて、
前記センサ部は、前記第一配線と電気的に接続する第一電極と、前記第一電極と対向配置する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極の間に形成された空洞部とを有し、
前記第一配線は、該第一配線と接続する前記センサ部の間ごとに幅広部を有することを特徴とする圧力センサ。
前記第二配線は、前記第二電極を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記第一配線は、該第一配線と接続するセンサ部の第一電極と、該第一配線の隣に配置された第一配線と接続するセンサ部の第一電極との間において、少なくとも何れか一方の第一電極の形状に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記第一配線は、前記幅広部において前記第一電極と接続していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記第一配線と前記第一電極は、前記第一配線よりも高抵抗なコンタクト層を介して電気的に接続していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記コンタクト層は、導電性の不純物を混入したシリコン層で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記コンタクト層は、多結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記第一配線と前記第一電極は、スイッチング素子を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記スイッチング素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
総ての前記第一配線及び前記第二配線は、最外周の前記センサ部が存在する最外周境界部から延設していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記センサ部を含む領域の最外周部分には、ダミーのセンサ部が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
複数の前記第一配線には、順次走査信号を供給することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。